När utvecklare inom fordons- och flygindustrin pressar på för att göra effektivare fordon, de riktar sin uppmärksamhet mot att designa robusta, lätta maskiner. Designa lätta material, dock, kräver noggrann sammanfogning av olika typer av material som metaller och polymerer, och dessa ytterligare steg driver upp tillverkningskostnaderna. Nytt arbete inom laserteknik ökade nyligen vidhäftningshållfastheten hos hybridmaterial av metall-plast.

En grupp tyska ingenjörer demonstrerade nyligen en teknik för att binda plast till aluminium genom att förbehandla ark av aluminium med infraröda lasrar. I Journal of Laser Applications , forskarna fann att uppruggning av aluminiumytan med kontinuerliga laserstrålar skapade en mekanisk sammankoppling med termoplastisk polyamid och ledde till en avsevärt stark vidhäftning.

"I andra sammanfogningsmetoder har du en plastdel som du vill passa ihop med en metalldel. I formsprutningsprocessen genererar vi en plastdel ovanpå metalldelen i ett hålrum i maskinen, sa Jana Gebauer, en författare på tidningen. "Som en konsekvens, det är mycket svårt jämfört med termisk pressning eller annan sammanfogningsteknik på grund av de specifika termiska förhållandena."

För att ta itu med dessa problem, Gebauer och hennes kollegor använde både en kontinuerlig laser och en pulsad i 20 pikosekunder åt gången för att göra ytan på aluminiumplåtar mer vidhäftande för ett polyamidskikt att gjutas över den. De placerade sedan arken i en formsprutningsform och övergjutna dem med termoplastisk polyamid, en polymer relaterad till nylon som används i mekaniska delar som elverktygshöljen, maskinskruvar, och växlar.

"Efter det, vi analyserade yttopografin och genomförde mekaniska tester av bindningsbeteendet för att ta reda på vilka parametrar som ledde till maximal bindningsstyrka, " sa Gebauer.

Tester med optisk 3-D konfokalmikroskopi och svepelektronmikroskopi avslöjade att de aluminiumplåtar som behandlats med pulsade lasrar hade mycket jämnare linjemönster i rännorna på sina ytor än de som förbehandlats med kontinuerlig laserstrålning. Aluminiumplåtar behandlade med infraröd laser uppvisade också starkare bindning, men dessa egenskaper minskade i tester med ökande fuktnivåer.

Trots lagets framgångar, Gebauer sa att mycket arbete ligger framför för att förstå hur förbehandlingar av metallytan kan optimeras för att göra processen mer ekonomisk för tillverkarna. Nu, hon och hennes kollegor vill börja studera hur gjuten termoplast krymper när den kyls.

"Den termiska kontraktionen leder till mekaniska spänningar och kan separera båda delarna. Den aktuella utmaningen är att skapa en struktur som kompenserar för spänningarna under krympningen utan att mjuka upp aluminiumet genom laserbehandlingen, "Nu vill vi producera en pålitlig bindning under användning av ultrakort pulsad laser för att minska värmeskador i metallkomponenten."

Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology, Leibnitz-institutet för polymerforskning, Technical University Dresden var inblandade i att ta fram resultaten i denna artikel.